传感器技术及其应用 第4版 课件 1 传感器技术基础、2 温度检测

Technology&ApplicationofSensor传感器技术及其应用1传感器基础认知2温度检测3力和位移检测4光量检测5

磁性量检测6数字式位置检测7环境量检测8无线传感器网络目录任务1.1传感器的认知任务1.2传感器的性能指标

任务1.3传感器的测量误差任务*项目1

传感器基础认知*

传感器的认知传感器的定义传感器的分类123目录任务1.1传感器的认知4传感器的发展趋势神舟十九号载人飞船2024年10月30日，搭载神舟十九号载人飞船的长征二号F遥十九运载火箭在酒泉卫星发射中心发射成功。神舟十九号载人飞船是中国载人航天工程进入空间站应用与发展阶段以来的第4艘载人飞船，也是以往型号中装载的货物数量最多、重量最大的一次。载人飞船在控制系统、动力系统、逃逸系统、着陆系统、舱内空间等关键部位，配备了多种传感器，有环境监测传感器、姿态与导航传感器、推进系统传感器、生命支持系统传感器、结构与机械传感器、通信系统传感器、宇航员健康监测传感器等，共同构成了载人飞船的监测网络。传感器技术

传感器技术广泛应用于工业生产、家电行业、智能产品、交通领域、航天技术、海洋探测、国防军事、环境监测、资源调查、医学诊断、生物工程甚至文物保护等领域。传感器技术与通信技术和计算机技术一起分别构成信息技术系统的“感官”、“神经”和“大脑”，是现代信息产业的三大支柱之一。传感器技术主要研究传感器的原理、传感器的材料、传感器的设计、传感器的制作、传感器的应用等内容。传感器技术是测量技术、半导体技术、计算机技术、信息处理技术、微电子学、光学、声学、精密机械、仿生学、材料科学等众多学科相互交叉的综合性高新技术密集型前沿技术之一。任务1.1传感器的认知参考资料美火星探测器机器人“机遇”号机遇号拍摄的火星照片火星探测车颜色传感器TCS230-DB人类仿生电子皮肤乐高机器人安装有多模态视触觉传感器的灵巧手参考资料（自行取舍）机器人足球赛辅助驾驶传感器新能源汽车电机传感器：旋变传感器参考资料双足机器人

双足机器人在爬楼梯救援机器人参考资料触觉传感器实物图新型局部放电特高频传感器

新型气凝胶助力多功能高选择性柔性触觉传感器激光测距传感器

参考资料机器人大力士

可爱机器狗餐厅服务员

酒店服务员韩国人制造的长相和科学家爱因斯坦一模一样的机器人凭借30多个让脸部“肌肉”运动的马达，可以做出许多种诸如眨眼、微笑甚至皱眉等复杂表情在2005年举行的APEC领导人非正式会议上，“爱因斯坦”分别和布什、普京等领导人握手，栩栩如生的它让领导人们有时光倒流的感觉。参考资料爱因斯坦机器人让伟人“起死回生

面部识别技术采用计算机技术，使检测技术智能化

安检中国“月球探测车”研制进入沙漠试验阶段参考资料2003年10月16日6时23分，我国第一艘载人宇宙飞船神舟5号的返回舱在内蒙古预定地点安全着陆参考资料2005年10月12日早上9：00，我国“神舟”六号在酒泉卫星发射中心发射成功，10月17日4时32分：“神舟六号”飞船返回舱成功着陆，5时18分至5时40分：航天员费俊龙、聂海胜自主出舱。参考资料2008年9月25日21时10分，“神舟”七号从中国酒泉卫星发射中心载人航天发射场用长征二号F火箭发射升空。飞船于2008年9月28日17点37分成功着陆于中国内蒙古四子王旗主着陆场。神舟七号飞船共计飞行2天20小时27分钟。神七上载有三名宇航员分别为翟志刚、刘伯明和景海鹏。翟志刚出舱作业，刘伯明在轨道舱内协助，实现了中国历史上第一次的太空漫步

2020年11月24日凌晨，我国现有最大推力运载火箭长征五号，在中国文昌航天发射场点火升空，在破晓中划出一道弧线，经过2200多秒的飞行，成功将嫦娥五号探测器送入地月转移轨道。这是长征五号系列运载火箭的第六次发射，也是2020年第三次执行发射任务。此前，2020年5月5日，长征五号B遥一火箭成功首飞；7月23日，长征五号遥四运载火箭成功发射“天问一号”火星探测器。史蒂夫·乔布斯剧院智能建筑蓬皮杜中心国家体育场（鸟巢）参考资料SCAN-2000电缆过热故障在线监测系统网络结构图*

传感器的认知传感器的定义传感器的分类123目录任务1.1传感器的认知4传感器的发展趋势2传感器的定义

Transducer换能器Sensor传感器具体包含以下几层意思：传感器是测量器件或装置，能完成一定的检测任务；它的输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等。它的输出量是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示等等，这种量可以是气、光、电量等，一般情况下是电量；输出输入有对应关系，且应有一定的精确度。传感器的定义举例:电位器式压力传感器测量电路传感器电源指示仪记录仪伺服控制开环自动测控系统框图

被测量

一个完整的自动测控系统，一般由传感器、测量电路、显示记录装置或调节执行装置、电源四部分组成。调节元件给定元件信息处理检测电路执行元件传感器对象输出显示记录－＋－闭环自动测控系统框图传感器的作用

人的大脑通过五种感觉（人的“五官”——眼、耳、鼻、舌、皮肤分别具有视、听、嗅、味、触觉），对外界的刺激做出反应。而传感器被称为电五官。它是人体“五官”的工程模拟物，是一种能把特定的被测量的信息（包括物理量、化学量、生物量等）按一定规律转换成某种可用信号输出的器件或装置。用五感去感受自然美

比五官更灵敏的“电五官”

欣赏“水光潋滟晴方好，山色空蒙雨亦奇‌”的动人美景；聆听“鼓钟钦钦，鼓瑟鼓琴，笙磬同音”的天籁之音；细嗅“遥知不是雪，为有暗香来”的梅之幽香；品尝“长江绕郭知鱼美，好竹连山觉笋香”的人间美味；感触“沾衣欲湿杏花雨，吹面不寒杨柳风”的微风徐来。用来“看”的红外传感器用来“听”的超声波传感器、动圈麦克风用来“闻”的气体传感器用来“品”的分子传感器用来“触”的压力传感器、湿度传感器。人与机器系统对比的结构示意图*

传感器的认知传感器的定义传感器的分类123目录任务1.1传感器的认知4传感器的发展趋势通常传感器常用的分类方法有：按传感器的工作原理分和按被测输入量来分。根据传感器的基本效应基于物理效应如光、电、声、磁、热等效应进行工作的物理传感器；基于化学效应如化学吸附、离子化学效应等进行工作的化学传感器；基于酶、抗体、激素等分子识别功能的生物传感器。3.传感器的分类按被测量分类这一种方法是根据被测量的性质进行分类，如：温度传感器、湿度传感器、压力传感器、位移传感器、流量传感器、液位传感器、力传感器、加速度传感器、转矩传感器等。这种分类方法把种类繁多的被测量分为：基本被测量和派生被测量两类。分类方法主要类型按基本效应物理型、化学型、生物型按被测量位移、压力、力、速度、温度、流量、气体成分等传感器按工作原理电阻、电容、电感、热电、压电、磁电、光电、光纤等传感器按能量种类机、电、热、光、声、磁等6种能量传感器按能量的关系有源传感器和无源传感器按输出信号类型模拟量和数字量传感器按防爆等级普通型、防爆型及本安型按敏感材料半导体传感器、光纤传感器、陶瓷传感器、高分子材料传感器、复合材料传感器等按与某种高新技术结合集成传感器、智能传感器、机器人传感器、仿生传感器等传感器的分类*

传感器的认知传感器的定义传感器的分类123目录任务1.1传感器的认知4传感器的发展趋势1.1.4.传感技术的发展趋势（1）现代传感器研发呈现的特点当今世界发达国家对传感器技术发展极为重视，视为涉及国家安全、经济发展和科技进步的关键技术之一，将其列入国家科技发展战略计划之中。因此，近年来传感技术迅速发展，传感器新原理、新材料和新技术的研究更加深入、广泛，传感器新品种、新结构、新应用不断涌现、层出不穷。1.现代传感技术的发展现状1.现代传感技术的发展现状1）新技术普遍应用

目前普遍采用电子设计自动化（ＥＤＡ）、计算机辅助制造（ＣＡＭ）、计算机辅助测试（ＣＡＴ）、数字信号处理（ＤＳＰ）、专用集成电路（ＡＳＩＣ）及表面贴装技术（ＳＭＴ）等技术。2）功能日渐完善

随着集成微光、机、电系统技术的迅速发展以及光导、光纤、超导、纳米技术、智能材料等新技术的应用，进一步实现信息的采集与传输、处理集成化、智能化，更多的新型传感器具有自检自校、量程转换、定标和数据处理等功能，传感器功能得到进一步增强和完善，性能进一步提高，更加灵敏、可靠。1.现代传感技术的发展现状

3）新型传感器开发加快

新型传感器，大致应包括：①采用新原理；②填补传感器空白；③仿生传感器；④新材料开发催生的新材料传感器等诸方面。它们之间是互相联系的。1.现代传感技术的发展现状①基于MEMS技术的新型微传感器微传感器（尺寸从几微米到几毫米的传感器总称）特别是以MEMS（微电子机械系统）技术为基础的传感器目前已实用化，这是今后发展的重点之一。微机械设想早在1959年就被提出，其后逐渐显示出采用MEMS技术制造各种新型微传感器、执行器和微系统的巨大潜力。这项研发在工业、农业、国防、航空航天、航海、医学、生物工程、交通、家庭服务等各个领域都有着巨大的应用前景，创新的空间很大，已成为竞争研究开发的重点领域。随着MEMS的日趋成熟，传感器制作技术进入了一个崭新阶段。微电子技术和微机械技术相结合，器件结构从二维到三维，实现进一步微型化、微功耗，并研究把传感器送入人体，进入血管，研究称分子的重量和DNA基因突变的微型传感器等。1.现代传感技术的发展现状②生物、医学研究急需的新型传感器

21世纪是生命科学世纪，特别是对人类基因的研究极大促进了对生物学、医学、卫生、食物等学科研究以及对各种新型传感器的研究开发。不仅需要多种生物量传感器，如酶、免疫、微生物、细胞、DNA、RNA、蛋白质、嗅觉、味觉和体液组份等传感器，也需要诸如血压、血流量、脉搏等生理量传感器的出现和实用化；还要进一步实现这些功能的集成化、微型化，研制出微分析芯片，使许多不连续的分析过程连续化、自动化，完成实时、在位分析，实现高效率、快速度、少耗样、低成本、无污染、大批量生产的目标。③新型环保化学传感器保护环境和生态平衡是我国的基本国策之一，实现这一目标就需要测量污水的流量、自动比例采样、PH值、电导、浊度、COD、BOD、TP、TN以及矿物油、氰化物、氨氮、总氮、总磷含量和重金属离子浓度等，而这些参量检测的多数传感器目前尚不能实用化。大气监测是环保的重要方面，主要监测内容有风向、风速、温度、湿度、工业粉尘、烟尘、烟气、SO2、NO、O3、CO等，这些传感器大多亟待进一步开发完善。

1.现代传感技术的发展现状工业过程控制和汽车传感器

我国汽车工业正在迅速发展，为适应这一形势，重点开发新型压力、温度、流量、位移等传感器，尽快为汽车工业解决电喷系统、空调排污系统和自动驾驶系统所需的传感器都是十分迫切的任务。我国的汽车工业发展加快，例如600万辆的生产能力，若每辆车用10只传感器，将需6000万只传感器及其配套器材和仪表。一辆现代高级轿车的电子化控制系统，其水平的高低关键在于采用传感器的水平和数量，通常达30余种，多则达百种，以完成对温度、压力、位置、距离、车速、加速度、流量、湿度、电磁、光电、气体、振动等各种信息进行实时准确测量和控制。随着我国汽车工业的发展，开发和应用汽车传感器，实现汽车传感器国产化势在必行。京津城铁

1.现代传感技术的发展现状汽车中的传感技术1.现代传感技术的发展现状

4）创新性更加突出

新型传感器的研究和开发由于开展时间短，往往尚不成熟，因此蕴藏着更多的创新机会，竞争也很激烈，成果也具有更多的知识产权。所以加速新型传感器的研究、开发、应用具有更大意义。

5）商品化、产业化前景广阔

在新型传感器的研究开发同时，注意新型材料、设计方法、生产工艺、测试技术和配套仪表等基础技术的同步发展，更加注重实用化，从而保证了成果转化和产业化的速度更快。1.现代传感技术的发展现状楼宇自动化1.现代传感技术的发展现状工程监测传感网络化光纤传感器提供了一种用于公路及桥梁、建筑、堤坝的健康监测的方法，而且也可以为监测交通工具的速度、载重及种类提供很重要的数据。这种传感器的测量精度可以达到几个微应变级，具有很好的可靠性，可实现动态测量，采用分布式埋入可以实现对整个桥梁或建筑物的健康状况监测，从而防止工程及交通事故的发生。1.现代传感技术的发展现状(3)与国外的差距我国传感器产业经过“八五”——“十四五”多年的发展，近年来取得了长足的进步，已经形成了一定的产业基础和发展规模，建立了“传感技术国家重点实验室”、“微米/纳米国家重点实验室”、“国家传感技术工程中心”等研究开发基地；初步建立了敏感元件与传感器产业。近年来，我国传感器市场持续快速增长，2021年中国传感器市场规模达到2950亿元，2025年市场规模超过‌4500亿。中国传感器市场结构中汽车电子领域市场规模529.2亿元，占比最高，达到24.2%；工业制造领域市场规模462.3亿元，占比21.1%；网络通信领域市场规模459.8亿元，占比21%；消费电子市场规模322.1亿元，占比14.7%。我国从事传感器研究和生产的单位约1600多家，其中从事MEMS研制生产的已有50多家，居世界第一。中国传感器的四大应用领域是工业及汽车电子产品、通信电子产品、消费电子产品、专用设备。传感器领域企业名称企业简介图像传感器韦尔股份（豪威集团）全球排名前列的中国半导体设计公司MEMS芯片代加工赛微电子MEMS（微机电系统）芯片的工艺开发及晶圆制造、GaN外延材料生长与器件设计气体传感器汉威科技气体传感器及仪表制造商、物联网解决方案提供商声学传感器歌尔微电子声光电精密零组件及精密结构件、智能整机、高端装备的研发、制造和销售。红外传感器高德红外

红外探测器芯片、红外热成像产品、综合光电系统及完整武器系统科研生产离散传感器上海兰宝

产品能全面满足离散工业客户在高温、电磁干扰、狭小空间、强光反射等使用场景中的感知需求。称重/测力传感器柯力传感研制和生产各类物理量传感器、称重仪表、电子称重系统、工业物联网系统成套设备，提供多种工业物联网系统及场景应用解决方案，同时提供专业的物联网软件定制服务。MEMS惯性传感器美新半导体全球首家将MEMS和混合信号处理电路集成于单一芯片的惯性传感器公司我国传感器领域的代表性企业1.现代传感技术的发展现状①缺少具有自主知识产权的创新性成果，科研成果向产业转化速度慢，取得显著社会经济效益的项目少；②缺乏大规模生产的企业，高档产品种类少，市场满足率低；③生产工艺装备离国际水平有较大差距；④整体还处于跟踪状态。1.现代传感技术的发展现状主要差距小结技术方面的差距：产品的可靠性较差（无故障运行时间）产品的性能、功能落后产品技术更新的周期慢缺乏针对使用对象而开发的专用解决方案企业综合实力方面的差距：行业规模小，测量控制与仪器仪表行业的总产值较低；企业劳动生产率低；企业技术开发投入普遍不足；低水平的重复生产异常突出。差距的主要原因：运行机制不能适应市场经济发展的要求；产、学、研、金（融）、政（府）、用（户）有机结合的体制和政策没有形成；缺乏国家强有力的研究支援体制；市场巨大，但主要依靠进口，科学研究“空芯化”现象严重；缺乏高层次复合型人才和熟悉、精通各学科交叉的综合型人才。2.现代传感技术的发展趋势(1)开发新材料、研究新型传感器材料是传感器技术的重要基础。随着传感器技术的发展、如半导体材料、陶瓷材料以外，光导纤维、纳米材料、超导材料等相继问世。随着研究的不断深入，人们将进一步探索具有新效应的敏感功能材料；通过微电子、光电子、生物化学、信息处理等各种学科、各种新技术的互相渗透和综合利用,从而研制开发具有新原理、新功能的新型传感器。(2)向高精度发展随着自动化生产程度的不断提高，对传感器的要求也在不断提高，必须研制出具有灵敏度高、精确度高、响应速度快、互换性好的新型传感器以确保生产自动化的可靠性。目前能生产相对精度在万分之一以上的传感器的厂家为数不多，其产量也远远不能满足要求。2.现代传感技术的发展趋势(3)向高可靠性、宽温度范围发展传感器的可靠性直接影响到电子设备的抗干扰等性能，研制高可靠性、宽温度范围的传感器将是永久性的方向。提高温度范围历来是大课题，大部分传感器其工作范围都在-20℃~70℃，在军用系统中要求工作温度在-40°C~85°C范围，而汽车锅炉等场合要求传感器工作在-20°C~120°C，在冶炼、焦化等方面对传感器的温度要求更高，因此发展新兴材料（如陶瓷）的传感器将很有前途。(4)向微型化发展各种控制仪器设备的功能越来越大，要求各个部件体积能占位置越小越好，因而传感器本身体积也是越小越好，这就要求发展新的材料及加工技术，目前利用硅材料制作的传感器体积已经很小。如传统的加速度传感器是由重力块和弹簧等制成的，体积较大、稳定性差、寿命也短，而利用激光等各种微细加工技术制成的硅加速度传感器体积非常小、互换性可靠性都较好。2.现代传感技术的发展趋势(5)向微功耗及无源化发展传感器一般都是非电量向电量的转化，工作时离不开电源，在野外现场或远离电网的地方，往往是用电池供电或用太阳能等供电，开发微功耗的传感器及无源传感器是必然的发展方向，这样既可以节省能源又可以提高系统寿命。目前，低功耗损的芯片发展很快，如TI2702运算放大器，静态功耗只有1.5mA，而工作电压只需2~5V。(6)向集成化、多功能化发展集成化技术包括传感器与IC的集成制造技术以及多参量传感器的集成制造技术，缩小了传感器的体积，提高了抗干扰能力。在通常情况下一个传感器只能用来探测一种物理量，但在许多应用领域中，为了能够完美而准确地反映客观事物和环境，往往需要同时测量大量的物理量。由若干种敏感元件组成的多功能传感器则是一种体积小巧而多种功能兼备的新一代探测系统，它可以借助于敏感元件中不同的物理结构或化学物质及其各不相同的表征方式，用单独一个传感器系统来同时实现多种传感器的功能。随着传感器技术和微机技术的飞速发展，目前已经可以生产出来将若干种敏感元件综装在同一种材料或单独一块芯片上的一体化多功能传感器。2.现代传感技术的发展趋势(7)向智能化发展所谓智能化传感器就是将传感器获取信息的基本功能与专用微处理器的信息分析、处理功能紧密结合在一起，并具有诊断、数字双向通信等新功能的传感器。由于微处理器具有强大的计算和逻辑判断功能，故可方便地对数据进行滤波、变换、校正补偿、存储记忆、输出标准化等：同时实现必要的自诊断、自检测、自校验以及通信与控制等功能。(8)向数字化、网络化发展随着科技的发展，数字化、网络化传感器应用日益广泛，以其传统方式不可比拟的优势渐渐成为技术的趋势和主流。2.现代传感技术的发展趋势(9)多传感器的集成与融合由于单传感器不可避免存在不确定或偶然不确定性，缺乏全面性，所以偶然的故障就会导致系统失效。多传感器集成与融合技术正是解决这些问题的良方。多个传感器不仅可以描述同一环境特征的多个冗余的信息，而且可以描述不同的环境特征。它的特点足冗余性、互补性、及时性和低成本性。(10)多学科交叉融合，实现无线网络化无线传感器网络是由大量无处不在的、由无线通信与计算能力的微小传感器节点构成的自组织分布式网络系统，能根据环境自主完成指定任务的“智能”系统。2.现代传感技术的发展趋势

当前技术水平下的传感器系统正向着微小型化、智能化、多功能化和网络化的方向发展。今后，随着CAD技术、MEMS技术、材料技术、信息理论及数据分析算法的继续向前发展，未来的传感器系统必将变得更加微型化、综合化、多功能化、智能化和系统化。在各种新兴科学技术呈辐射状广泛渗透的当今社会，作为现代科学“耳目”的传感器系统，作为人们快速获取、分析和利用有效信息的基础，必将进一步得到社会各界的普遍关注。现代传感技术的发展趋势（小结）1.微型化(Micro)2.智能化(Smart)

3.多功能传感器(Multifunction)

4.无线网络化(wirelessnetworked)基础知识定义、分类发展趋势选用原则综合实训传感器原理检测技术温度传感器磁敏传感器光电传感器位移传感器力传感器电学式传感器环境量传感器物位传感器數字传感器新型传感器传感器接口电路课程主要内容传感器的工作原理、结构、主要参数、检测电路及其典型应用传感器技术及其应用机械工业出版社休息一下1.2.1传感器的静态特性1.2.2传感器的动态特性1.2.3提高传感器性能的方法*任务1.2传感器的性能指标传感器基本特性

传感器的数学模型分为：静态模型和动态模型

传感器的输入量可分为：静态量、动态量稳定性(零漂)传感器温度供电各种干扰稳定性温漂分辨力冲击与振动电磁场线性滞后重复性灵敏度输入误差因素外界影响

传感器输入输出作用图输出传感器的静态特性可以用一组性能指标来描述，如灵敏度、迟滞、线性度、重复性和漂移等。

传感器的基本特性

传感器的特性一般是指输出与输入之间的关系，可用数学函数、坐标曲线、图表等方式表示。根据被测量状态的不同，传感器的特性可分为静态特性和动态特性。

当被测量不随时间变化或变化很慢时，可以认为检测系统的输入量和输出量都和时间无关，表示它们之间关系的是一个不含时间变量的代数方程，在这种关系基础上，确定的检测装置性能参数称为静态特性。1.2.1静态特性作图法求线性度演示1.线性度线性度是传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离直线的程度，又称非线性误差。

由于线性度是以所参考的拟合直线为基准线得到的，所以基准线不同，所得的线性度就不同。常用的计算线性度的方法有：

线性度——拟合直线理论直线法、端点线法、割线法、最小二乘法和计算程序法等。传感器的线性度

(a)端基线性度(b)平均选点线性度(c)最小二乘法线性度

从传感器的性能看，希望具有理想的输入输出关系—线性关系。但实际遇到的传感器大多为非线性。﹡理想情况：﹡只有奇次项：﹡只有偶次项：﹡普通情况：系统数学模型2.灵敏度灵敏度是传感器在稳态下输出增量与输入增量的比值。线性过原点线性传感器的灵敏度（a）线性测量系统(b)非线性测量系统2.灵敏度

若系统的输出和输入间有线性关系，则灵敏度s是一个常数。一般希望灵敏度在整个测量范围内保持常数，这样，可得均匀刻度的标尺，读数方便，便于分析、处理测量结果。对于线性系统：灵敏度是其传递函数（输出量与输入量之比）对于非线性系统：其灵敏度随输入量的变化而变化，常将其校正为线性系统输入输出若为不同量纲，则s也有量纲；输入输出若为相同量纲，s则可理解为放大倍数。

若检测系统由多个环节组成，各环节灵敏度分别为S1、S2、S3，且以串联方式连接，则整个系统灵敏度为：y2y1S1S2S3xy0灵敏度例题1

某测温系统由四个环节组成，各自灵敏度如下：铂电阻温度传感器：0.35Ω/℃电桥：0.01V/Ω放大器：100（放大倍数）笔试记录仪：0.1cm/V求：（1）测温系统的总灵敏度（2）记录仪笔尖位移4cm时，所对应的温度变化值灵敏度3.迟滞现象

传感器在正向行程（输入量增大）和反向行程（输入量减小）期间，输出-输入特性曲线不一致的程度。1—反向特性2—正向特性传感器迟滞特性示意图迟滞误差γH以正、反向输出量的最大偏差与满量程输出之比的百分数表示，即4.重复性重复性是传感器在输入量按同一方向作全量程多次测试时，所得特性曲线不一致性的程度。传感器输出特性的不重复性主要由传感器的机械部分的磨损、间隙、松动，部件的内磨擦、积尘，电路元件老化、工作点漂移等原因产生。

传感器的重复性正行程的最大重复性偏差为∆Rmax1，反行程的最大重复性偏差为∆Rmax2

。重复性偏差取这两个最大偏差中之较大者为∆Rmax，再以满量程输出的百分数表示，这就是重复误差，即

用来表示仪表或装置能够检测被测量的最小量变化的性能指标。输入量从某个任意值（非零值）缓慢增加，直到可以测量到输出的变化为止，此时的输入量的变化量即分辨力。即传感器能检测出被测信号的最小变化量。

有时候该值相对满量程输入值的百分比表示，则称为分辨率。一般模拟式仪表的分辨力规定为最小刻度分格值的一半数字式仪表的分辨力为最后一位的一个字。5.分辨率与分辨力6.稳定性稳定度是指传感器在所有条件均不变情况下，能在规定的时间内维持其示值不变的能力。稳定度是以示值的变化量与时间长短的比值来表示。环境影响量是指由于外界环境变化而引起的示值的变化量。示值变化由两个因素组成:零点漂移和灵敏度漂移。零点漂移是指在受外界环境影响后，已调零的仪表的输出不再为零。零点漂移的现象，在测量前是可以发现的，应重新调零，但在不间断测量过程中，零点漂移是附加在读数上的，因而很难发现。7、测量范围与量程测量范围：正常工作条件下，检测系统或仪表能够测量的被测量值的总范围。通常以测量范围的下限值和上限值表示。量程：测量范围上限值与下限值的代数差。给出测量范围即知被测量的上、下限和量程，但仅知道量程，却无法判断测量范围。

8.精确度(Accuracy

)

精密度：说明测量传感器输出值的分散性，即对某一稳定的被测量

，由同一个测量者用同一个传感器，在相当短的时间内连续重复测量多次，其测量结果的分散程度。精密度是随机误差大小的标志，精密度高，意味着随机误差小。注意：精密度高不一定准确度高。

准确度：说明传感器输出值与真值的偏离程度。准确度是系统误差大小的标志，准确度高意味着系统误差小。同样，准确度高不一定精密度高。

精确度：精确度是精密度与准确度两者的总和，精确度高表示精密度和准确度都比较高。在最简单的情况下，可取两者的代数和。1.2.2传感器的动态特性在动态（快速变化）的输入信号情况下，要求传感器能迅速准确地响应和再现被测信号的变化。也就是说，传感器要有良好的动态特性。最常用的是通过几种特殊的输入时间函数，例如阶跃函数和正弦函数来研究其响应特性，称为阶跃响应法和频率响应法。动态特性的研究主要包括两个部分：瞬态误差稳态误差常用输入信号：

正弦周期信号和阶跃信号正弦信号单位阶跃信号

阶跃响应特性给传感器输入一个单位阶跃函数信号：其输出特性称为阶跃响应特性。(1)时间常数(2)上升时间(3)响应时间(4)超调量(5)延迟时间(6)衰减度衡量阶跃响应的几项指标:传感器阶跃响应特性1.2.3提高传感器性能的方法1）传感器性能指标根据实际的需要与可能，在确保主要性能指标实现的基础上，放宽对次要性能指标的要求，以求得高的性能价格比。2）提高性能指标的方法1.采用线性化技术2.差动技术3.平均技术4.零位法、微差法和闭环技术5.补偿与校正技术6.集成化和智能化7.屏蔽、隔离和抑制干扰8.稳定性处理机械工业出版社休息一下测量方法测量误差及分类

*任务1.3传感器的测量误差1.3.1测量方法1.测量测量是人们借助专门的技术和设备，通过实验的方法，把被测量与单位标准量进行比较，以确定出被测量是标准量的多少倍数的过程，所得的倍数就是测量值。2.测量方法测量方法对检测系统是十分重要的，它直接关系到检测任务是否能够顺利完成。对于测量方法，从不同的角度出发，可有不同的分类方法。测量方法分类按测量手段分直接测量法：天平称重，电压表测电压。间接测量法：电阻测量，测电阻的电压和电流，计算得到电阻。在使用仪表进行测量时，对仪表读数不需要经过任何运算，就能直接表示测量所需要的结果。将测量值代入函数关系式，经过计算得到所需的结果间接测量

对多个被测量进行测量，经过计算求得被测量（阿基米德测量皇冠的比重）。

直接测量电子卡尺偏差式测量：用仪表指针的位移（即偏差）决定被测量的量值。零位式测量：用指零仪表的零位指示检测测量系统的平衡状态，在测量系统平衡时，用已知的标准量决定被测量的量值的测量方法。微差式测量：综合了偏差式测量与零位式测量的优点而提出的一种测量方法。它将被测量与已知的标准量相比较，取得差值后，再用偏差法测得此差值。比较测量法非接触式测量车载电子警察例：雷达测速接触式测量

对缓慢变化的对象进行测量亦属于静态测量。最高、最低温度计静态测量

动态测量

地震测量振动波形

可以显示波形的手持示波器离线测量

产品质量检验在线测量

在流水线上，边加工，边检验，可提高产品的一致性和加工精度。1.3.2测量误差及分类1.测量误差测量误差就是测量值与真实值之间的差值，它反映了测量的精度。测量误差可用绝对误差表示，也可用相对误差表示。2.误差的表示方法（1）绝对误差绝对误差是指测量值与真值之间的差值，它反映了测量值偏离真值的多少，即在实际应用时，常用理论真值、约定真值、相对真值三种真值代替。

某采购员分别在三家商店购买100kg大米、10kg苹果、1kg巧克力，发现均缺少约0.5kg，但该采购员对卖巧克力的商店意见最大，是何原因？例：普通电流表测一电流为0.78mA，精密检流计测得值为0.76mA。

绝对误差Δx=x-A=0.78-0.76=0.02mA（2）相对误差1）实际相对误差。实际相对误差是指绝对误差∆与被测量真值A0的百分比，用γA表示，即2）示值（标称）相对误差。示值相对误差是指绝对误差∆与被测量实际值Ax的百分比，用γx表示，即3）引用（满度）相对误差。引用相对误差是指绝对误差∆与仪表满度值Am的百分比，用γm表示，即上式中，当∆取最大值∆m时，满度其满度相对误差常被用来确定仪表的准确度等级S，即根据准确度等级S及量程范围，可以推算出该仪表可能出现的最大绝对误差∆m。准确度等级S规定取一系列标准值。我国模拟仪表有下列7种等级：0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0。

例：某指针式电压表的准确度为2.5级，用它来测量电压时可能产生的最大满度相对误差为2.5%。

某公司生产测量温度的仪表，满度误差均在1.1~1.6％之间，该系列产品属于哪一级温度表？

?只要给出了仪表，则这个仪表在整个量程的最大绝对误差都是一个固定不变的，测量值靠近满量程，其示值相对误差最小，测量精度最高；测量值最小，其示值相对误差最大，测量精度最低。例：一台电压表量程100V，rm是1%，分别求出测量值在100V,50V,10V的示值相对误差。ΔXm=Xm*rm=100*1%=1Vr100=ΔXm/x100=1/100=1%r50=ΔXm/x50=1/50=2%r10=ΔXm/x10=1/10=10%结论：在选用仪表量程时，尽量选用靠近测量值的量程，一般测量值不能低于满量程的2/3。仪表选择——量程例现有0.5级的0~300℃的和1.0级的0~100℃的两个温度计，要测量80℃的温度，试问采用哪一个温度计好?

解

用0.5级表测量时，可能出现的最大示值相对误差为若用1.0级表测量时，可能出现的最大示值相对误差为计算结果表明，用1.0级表比用0.5级表的示值相对误差反而小3.测量误差的分类（1）按被测量与时间关系划分按被测量与时间关系，将误差划分为静态误差和动态误差。1）静态误差。

在被测量不随时间变化时所产生的误差称为静态误差。前面讨论的误差多属于静态误差。2）动态误差当被测量随时间迅速变化时，系统的输出在时间上不能与被测量的变化精确吻合，这种误差称为动态误差。例如，将水银温度计插入100℃沸水中，水银柱不可能立即上升到100℃。如果此时就记录读数，必然产生误差。动态误差

由心电图仪放大器带宽不够引起的动态误差

当被测量随时间迅速变化时，系统的输出量在时间上不能与被测量的变化精确吻合，这种误差称为动态误差。

在重复性条件下，对同一被测量进行无限多次测量所得结果的平均值与被测量的真值之差，称为系统误差。凡误差的数值固定或按一定规律变化者，均属于系统误差。系统误差是有规律性的，因此可以通过实验的方法或引入修正值的方法计算修正，也可以重新调整测量仪表的有关部件予以消除。

1）系统误差夏天摆钟变慢的原因是什么？（2）按误差表现的规律划分根据测量数据中的误差所呈现的规律，将误差分为三种，即系统误差、随机误差和粗大误差。这种分类方法便于测量数据的处理。2）随机误差

测量结果与在重复条件下，对同一被测量进行无限多次测量所得结果的平均值之差称为随机误差。也可以采用如下的表达：在同一条件下，多次测量同一被测量，有时会发现测量值时大时小，误差的绝对值及正、负以不可预见的方式变化，该误差称为随机误差。

存在随机误差的测量结果中，虽然单个测量值误差的出现是随机的，既不能用实验的方法消除，也不能修正，但是就误差的整体而言，多数随机误差都服从正态分布规律。随机误差的正态分布规律长度相对测量值次数统计随机事例的几个例子

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1）集中性：大量的测量值集中分布于算术平均值附近。随机误差的正态分布规律2）对称性：测量值大致对称地分布于两侧。３）有界性：在一定的条件下，测量值有一定的分布范围，超过这个范围的可能性非常小，即出现绝对误差很大的情况很少。粗大误差的测量值应予以剔除。评价随机误差的指标随机误差是按正态分布规律出现的，具有统计意义，通常以测量数据的算术平均值

和均方根误差σ

作为评价指标。1）算术平均值。在实际测量时，真值A一般无法得到。所以只能从一系列测量值xi找一个接近真值A的数值作为测量结果，这个值就是算术平均值

2）标准误差（又称均方根误差）

上述的算术平均值是反映随机误差的分布中心，而标准误差则反映随机误差的分布范围。标准误差越大，测量数据的分散范围也越大，所以标准误差σ可以描述测量数据和测量结果的精度，是评价随机误差的重要指标。下图为三种不同σ的正态分布曲线。例

用核辐射钢板测厚仪测钢板厚度，已知PIN型γ射线二极管的测量误差为±5%，微电流放大器误差为±2%，指针表误差为±1%，求测量的总误差。结论：测量系统中的γ射线二极管的测量误差最大，应提高其精度等级。3）粗大误差

明显偏离真值的误差称为粗大误差，也叫过失误差。粗大误差主要是由于测量人员的粗心大意及电子测量仪器受到突然而强大的干扰所引起的。如测错、读错、记错、外界过电压尖峰干扰等造成的误差。就数值大小而言，粗大误差明显超过正常条件下的误差。当发现粗大误差时，应予以剔除。3σ准则是最常用也是最简单的粗大误差判别准则，它一般应用于测量次数充分多（n≥30）或当n＞10做粗略判别时的情况。

根据误差理论，当测量数据呈正态分布时，误差出现在-3σ~+3σ范围内的概率为99．73％，可以认为出现绝对值大于3σ的误差为小概率事件。若测量次数为有限次，测量误差（通常用残差表示）绝对值大于3σ，即可判定该测量数据含有粗大误差，应予以剔除。

产生粗大误差的一个例子

nxi/mm18.0428.0237.9645.9959.3367.98例：用核辐射式测厚仪对钢板的厚度进行6次等精度测量，所得数据如下表（单位为mm），请指出哪几个数值为粗大误差？在剔除粗大误差后，用算术平均值公式求出钢板厚度。

根据上例，经计算可知，5.99以及9.33为粗大误差，予以剔除，剩余4个测量值计算算术平均值：nxi/mm18.0428.0237.9645.9959.3367.98休息一下Technology&ApplicationofSensor传感器技术及其应用常用温度传感器*项目2温度检测温度的检测石瓢壶柴烧秦权壶，秦始皇统一天下的度量衡！经典器型，柴烧效果落灰丰富，留釉垂珠难得，金属感强，高级质感。2温度检测知识储备：温度测量和温标任务2．1热电偶测温任务2．2热电阻测温任务2．3集成温度传感器测温2．4同步技能训练

温度传感器是实现温度检测和控制的重要器件。在种类繁多的传感器中，温度传感器是应用最广泛、发展最快的传感器之一。工业生产自动化流程，温度测量点要占全部测量点的一半左右。温度是反映物体冷热状态的物理参数。

温度标志着物质内部大量分子无规则运动的剧烈程度。温度越高，表示物体内部分子热运动越剧烈。

模拟图：在一个密闭的空间里，气体分子在高温时的运动速度比低温时快！低温高温

公元1600年，伽里略研制出气体温度计。一百年后，研制成酒精温度计和水银温度计。随着现代工业技术发展的需要，相继研制出金属丝电阻、温差电动式元件、双金属式温度传感器。1950年以后，相继研制成半导体热敏电阻器。最近，随着原材料、加工技术的飞速发展、又陆续研制出各种类型的温度传感器。温度传感器的发展概况

示温涂料（变色涂料）装满热水后图案变得清晰可辨变色涂料在电脑内部温度中的示温作用CPU散热风扇低温时显示蓝色温度升高后变为红色体积热膨胀式

不需要电源，耐用；但感温部件体积较大。

气体的体积与热力学温度成正比红外温度计1.温度测量

接触式温度传感器非接触式温度传感器接触式温度传感器的特点：传感器直接与被测物体接触进行温度测量，由于被测物体的热量传递给传感器，降低了被测物体温度，特别是被测物体热容量较小时，测量精度较低。因此采用这种方式要测得物体的真实温度的前提条件是被测物体的热容量要足够大。非接触式温度传感器主要是利用被测物体热辐射而发出红外线，从而测量物体的温度，可进行遥测。其制造成本较高，测量精度却较低。优点是：不从被测物体上吸收热量；不会干扰被测对象的温度场；连续测量不会产生消耗；反应快等。知识储备：温度测量和温标

随物体的热膨胀相对变化而引起的体积变化；蒸气压的温度变化；电极的温度变化热电偶产生的电动势；光电效应热电效应介电常数、导磁率的温度变化；物质的变色、融解；强性振动温度变化；热放射；热噪声。

温度传感器的物理原理物理现象

体积热膨胀

电阻变化温差电现象导磁率变化电容变化压电效应超声波传播速度变化物质颜色P–N结电动势晶体管特性变化可控硅动作特性变化热、光辐射种类铂测温电阻、热敏电阻热电偶BaSrTiO3陶瓷石英晶体振动器超声波温度计示温涂料液晶半导体二极管晶体管半导体集成电路温度传感器可控硅辐射温度传感器光学高温计1.气体温度计2.玻璃制水银温度计3.玻璃制有机液体温度计4.双金属温度计5.液体压力温度计6.气体压力温度计1．热铁氧体2．Fe-Ni-Cu合金

此外，还有微波测温温度传感器、噪声测温温度传感器、温度图测温温度传感器、热流计、射流测温计、核磁共振测温计、穆斯保尔效应测温计、约瑟夫逊效应测温计、低温超导转换测温计、光纤温度传感器等。这些温度传感器有的已获得应用，有的尚在研制中。2.温标热平衡：温度是描述热平衡系统冷热程度的物理量。分子物理学：温度反映了物体内部分子无规则运动的剧烈程度。能量：温度是描述系统不同自由度间能量分配状况的物理量。温标：表示温度大小的尺度是温度的标尺。1848年威廉·汤姆首先提出以热力学第二定律为基础，建立温度仅与热量有关，而与物质无关的热力学温标。因是开尔文总结出来的，故又称开尔文温标，用符号K表示。它是国际基本单位制之一。1．热力学温标2．国际实用温标1968年国际实用温标规定热力学温度是基本温度，用t表示，其单位是开尔文，符号为K。1K定义为水三相点热力学温度的1/273.16，水的三相点是指纯水在固态、液态及气态三项平衡时的温度，热力学温标规定三相点温度为273.16K，这是建立温标的惟一基准点。3．摄氏温标

是工程上最通用的温度标尺。摄氏温标是在标准大气压(即101325Pa)下将水的冰点与沸点中间划分一百个等份，每一等份称为摄氏一度(摄氏度，℃)，一般用小写字母t表示。与热力学温标单位开尔文并用。摄氏温标与国际实用温标温度之间的关系如下：4．华氏温标

目前已用得较少，它规定在标准大气压下冰的融点为32华氏度，水的沸点为212华氏度，中间等分为180份，每一等份称为华氏一度，符号用℉，它和摄氏温度的关系如下：T=t+273.15

Kt=T-273.15

℃m=1.8n+32℉n=5/9(m-32)℃几种温标的对比正常体温为37

C

，相当于华氏温度多少度？2.1热电偶测温

热电偶在温度的测量中应用十分广泛。它构造简单，使用方便，测温范围宽，并且有较高的精确度和稳定性。2.1.1热电偶测温原理1.热电效应两种不同材料的导体组成一个闭合回路时，若两接点温度不同，则在该回路中会产生电动势。这种现象称为热电效应，该电动势称为热电势。

看一个实验——热电偶工作原理演示

结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。

热电极A自由端（参考端、冷端）

测量端（工作端、热端）

热电极B热电势AB

热电偶两结点所产生的总的热电势等于热端热电势与冷端热电势之差，是两个结点的温差Δt

的函数：

EAB（T，T0）=eAB（

T）-eAB（

T0

）热电势大致与两个结点的温差Δt

成正比从实验到理论：热电效应

1821年，德国物理学家赛贝克用两种不同金属组成闭合回路，并用酒精灯加热其中一个接触点（称为结点），发现放在回路中的指南针发生偏转（说明什么？），如果用两盏酒精灯对两个结点同时加热，指南针的偏转角反而减小（又说明什么？）

。显然，指南针的偏转说明回路中有电动势产生并有电流在回路中流动，电流的强弱与两个结点的温差有关。

结点产生热电势的微观解释及图形符号

两种不同的金属互相接触时，由于不同金属内自由电子的密度不同，在两金属A和B的接触点处会发生自由电子的扩散现象。自由电子将从密度大的金属A扩散到密度小的金属B，使A失去电子带正电，B得到电子带负电，从而产生热电势。

自由电子＋ABeAB（

T）T1.接触电势接触电势原理图+ABTeAB(T)-eAB(T)——导体A、B结点在温度T时形成的接触电动势；e——单位电荷，e=1.6×10-19C；

k——波尔兹曼常数，k=1.38×10-23J/K

；NA、NB

——导体A、B在温度为T时的电子密度。接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。AeA(T,To)ToTeA(T，T0)——导体A两端温度为T、T0时形成的温差电动势；T，T0——高低端的绝对温度；σA——汤姆逊系数，表示导体A两端的温度差为1℃时所产生的温差电动势，例如在0℃时，铜的σ=2μV/℃。2.温差电势温差电势原理图由导体材料A、B组成的闭合回路，其接点温度分别为T、T0,如果T＞T0，则必存在着两个接触电势和两个温差电势，回路总电势：T0TeAB(T)eAB(T0)eA(T,T0)eB(T,T0)AB3.回路总电势EAB(T,T0)=EAB(T)+EB(T,T0)-EAB(T0)-EA(T,T0)或EAB(t,t0)=EAB(t)+EB(t,t0)-EAB(t0)-EA(t,t0)

导体材料确定后，热电势的大小只与热电偶两端的温度有关。如果使EAB(T0)=常数，则回路热电势EAB(T，T0)就只与温度T有关，而且是T的单值函数，这就是利用热电偶测温的原理。只有当热电偶两端温度不同,热电偶的两导体材料不同时才能有热电势产生。热电偶回路热电势只与组成热电偶的材料及两端温度有关；与热电偶的长度、粗细无关。只有用不同性质的导体(或半导体)才能组合成热电偶；相同材料不会产生热电势，因为当A、B两种导体是同一种材料时，ln(NA/NB)=0，也即EAB(T，T0)=0。结论(4点)：

在总电势中，温差电势比接触电势小很多，可忽略不计，则热电偶的热电势可表示为：

EAB(T,T0)=EAB(T)-EAB(T0)

对于已选定的热电偶，当参考端温度T0恒定时，EAB(T0)=c为常数，则总的热电动势就只与温度T成单值函数关系，即：

EAB(T,T0)=EAB(T)-c

=f(T)

实际应用中，热电势与温度之间的关系是通过热电偶分度表来确定。分度表是在参考端温度为00C时，通过实验建立起来的热电势与工作端温度之间的数值对应关系。

热电偶的分度表

热电偶的线性较差，多数情况下采用查表法

我国从1991年开始采用国际计量委员会规定的“1990年国际温标”（简称ITS-90）的新标准。按此标准，制定了相应的分度表，并且有相应的线性化集成电路与之对应。

直接从热电偶的分度表查温度与热电势的关系时的约束条件是：自由端（冷端）温度必须为0

C。K热电偶的分度表

比较查出的3个热电势，可以看出热电势是否线性？几种常用热电偶的热电势与温度的关系曲线分析

哪几种热电偶的测温上限较高？

结论：

哪几种热电偶的线性较差？

哪一种热电偶的灵敏度较高？

哪一种热电偶的灵敏度较低？为什么所有的曲线均过原点（零度点）？2.热电偶的基本定律(1)匀质导体定律由一种均质导体组成的闭合回路，不论其导体是否存在温度梯度，回路中没有电流(即不产生电动势)；反之，如果有电流流动，此材料则一定是非均质的，即热电偶必须采用两种不同材料作为电极。

E总=EAB（T）+EBC（T）+ECA（T）=0三种不同导体组成的热电偶回路TABCTT（2）中间导体定律一个由几种不同导体材料连接成的闭合回路，只要它们彼此连接的接点温度相同，则此回路各接点产生的热电势的代数和为零。如图，由A、B、C三种材料组成的闭合回路，则结论：将第三种材料C接入由A、B组成的热电偶回路，如图，则图a中的A、C接点2与C、A的接点3，均处于相同温度T0之中，此回路的总电势不变，即同理，图b中C、A接点2与C、B的接点3，同处于温度T0之中，此回路的电势也为：T2T1AaBC23EABaA23ABEABT1T0CT0EAB（T1,T0）=EAB（T1）-EAB（T0）(a)(b)T0T0EAB(T1,T2)=EAB(T1)-EAB（T2）第三种材料接入热电偶回路图(2)中间导体定律在热电偶回路中接入第三种导体，只要该导体两端温度相等，则热电偶产生的总热电势不变。图示回路总的热电势

EABC(T,T0)=EAB(T)-EAB(T0)=EAB(T,T0)

具有中间导体的热电偶回路ET0T0TET0T1T1T电位计接入热电偶回路根据上述原理，可以在热电偶回路中接入电位计E，只要保证电位计与连接热电偶处的接点温度相等，就不会影响回路中原来的热电势，接入的方式见下图所示。

（3）

中间温度定律

如果不同的两种导体材料组成热电偶回路,其接点温度分别为T1、T2(如图所示)时,则其热电势为EAB(T1,T2)；当接点温度为T2、T3时，其热电势为EAB(T2,T3)；当接点温度为T1、T3时，其热电势为EAB(T1,T3)，则BBAT2T1

T3

AAB

EAB（T1,T3）=EAB（T1,T2）+EAB（T2,T3）EAB（T1,T3）=EAB（T1,0）+EAB（0,T3）

=EAB（T1,0）-EAB（T3,0）=EAB（T1）-EAB（T3）

ABT1T2T2A’B’T0T0热电偶补偿导线接线图E对于冷端温度不是零度时，热电偶如何分度表的问题提供了依据。如当T2=0℃时，则：只要T1、T0不变，接入AˊBˊ后不管接点温度T2如何变化，都不影响总热电势。这便是引入补偿导线原理。EAB=EAB(T1)–EAB(T0)说明：当在原来热电偶回路中分别引入与导体材料A、B同样热电特性的材料A′、B′(如图)即引入所谓补偿导线时，当EAA΄(T2)=EBB΄(T2)，则回路总电动势为

EAB（T,T0）=EAC（T,T0）+ECB（T,T0）T0TEBA(T,T0)BAT0TEAC(T,T0)ACT0TECB(T,T0)CB如果任意两种导体材料的热电势是已知的，它们的冷端和热端的温度又分别相等，如图所示，它们相互间热电势的关系为：(4)参考电极定律（也称组成定律）参考电极定律示意图已知热电极A、B与参考电极C组成的热电偶在结点温度为(T，T0)时的热电动势分别为EAC(T，T0)、EBC(T，T0)，则相同温度下，由A、B两种热电极配对后的热电动势EAB(T，T0)也可按下面公式计算：

EAB(T，T0)=EAC(T，T0)-EBC(T，T0)【例2.1】

用镍铬—镍硅热电偶测炉温时，其冷端温度＝30℃，在直流电位计上测得的热电势＝30.838mV，求炉温。解：查镍铬—镍硅热电偶分度表（30℃，0℃）=1.203mVEAB(T,0℃)=E(T,30℃)+EAB(30℃,0℃)=30.838+1.203=32.041(mV)

再查分度表得T=770℃。【例2.2】已知铬合金—铂热电偶的E(100℃，0℃)=+3.13mV，铝合金—铂热电偶的E(100℃，0℃)=-1.02mV，求铬合金—铝合金组成热电偶材料的热电动势E(100℃，0℃)。解：设铬合金为A，铝合金为B，铂为C，即

EAC(100℃，0℃)=+3.13mVEBC(100℃，0℃)=-1.02mV

则：

EAB(100℃,0℃)=EAC(100℃,0℃)–EBC(100℃,0℃)=4.15mV2.1.2热电偶的结构形式与热电偶材料1．热电偶的种类（1）普通型热电偶

工业热电偶结构示意图1－接线盒；2－保护套管3―绝缘套管4―热电偶丝1234普通装配型热电偶的外形安装螺纹安装法兰普通装配型热电偶的

结构放大图

接线盒引出线套管

固定螺纹

（出厂时用塑料包裹）热电偶工作端（热端）

不锈钢保护管

(a)(b)(c)(d)

1322．铠装式热电偶（又称套管式热电偶）优点是小型化（直径从12mm到0.25mm）、寿命、热惯性小，使用方便。

测温范围在1100℃以下的有：镍铬—镍硅、镍铬—康铜铠装式热电偶。

断面如图所示。它是由热电偶丝、绝缘材料，金属套管三者拉细组合而成一体。又由于它的热端形状不同，可分为四种型式如图。图3.2-12铠装式热电偶断面结构示意图

1—

金属套管;2—绝缘材料;3—热电极

(a)—碰底型;(b)—不碰底型;(c)—露头型;(d)—帽型铠装型热电偶

铠装热电偶的制造工艺：把热电极材料与高温绝缘材料预置在金属保护管中、运用同比例压缩延伸工艺、将这三者合为一体，制成各种直径、规格的铠装偶体，再截取适当长度、将工作端焊接密封、配置接线盒即成为柔软、细长的铠装热电偶。

铠装热电偶特点：内部的热电偶丝与外界空气隔绝，有着良好的抗高温氧化、抗低温水蒸气冷凝、抗机械外力冲击的特性。铠装热电偶可以制作得很细，能解决微小、狭窄场合的测温问题，且具有抗震、可弯曲、超长等优点。

铠装型热电偶外形法兰铠装型热电偶可长达上百米薄壁金属保护套管（铠体）

BA绝缘材料铠装型热电偶横截面3．快速反应薄膜热电偶用真空蒸镀等方法使两种热电极材料蒸镀到绝缘板上而形成薄膜装热电偶。如图，其热接点极薄(0.01～0.lμm)4123快速反应薄膜热电偶1—热电极;2—热接点;3—绝缘基板;4—引出线因此，特别适用于对壁面温度的快速测量。安装时,用粘结剂将它粘结在被测物体壁面上。目前我国试制的有铁—镍、铁—康铜和铜—康铜三种,尺寸为60×6×0.2mm;绝缘基板用云母、陶瓷片、玻璃及酚醛塑料纸等；测温范围在300℃以下；反应时间仅为几ms。测温范围为-200~500℃。测量端既小又薄，热容量小，响应速度快。适用于测量微小面积上的瞬变温度。（4）表面热电偶

主要用于现场流动的测量，广泛用于纺织、印染、造纸、塑料及橡胶工业；探头有各种形状(弓形、薄片形等)，以适应于不同物体表面测温用。在其把手上装有动圈式仪表，读数方便。测量温度范围有0~250℃和0~600℃两种。

（5）防爆热电偶

在石油、化工、制药工业中，生产现场有各种易然、易爆等化学气体，这时需要采用防爆热电偶。它采用防爆型接线盒，有足够的内部空间、壁厚及机械强度，其橡胶密封圈的热稳定性符合国家的防爆标准。因此，即使接线盒内部爆炸性混合气体发生爆炸时，其压力也不会破坏接线盒，其产生的热能不能向外扩散传爆，可达到可靠的防爆效果。隔爆型热电偶外形厚壁保护管压铸的接线盒电缆线其他热电偶外形小形K型热电偶2.热电偶组成材料及分度表

为了准确可靠地进行温度测量，必须对热电偶组成材料严格选择。热电偶材料应满足：物理性能稳定，热电特性不随时间改变；化学性能稳定，以保证在不同介质中测量时不被腐蚀；热电势高，导电率高，且电阻温度系数小；便于制造；复现性好，便于成批生产。

目前工业上常用的四种标准化热电偶材料为:

铂铑30－铂铑6、铂铑10－铂、镍铬－镍硅、镍铬－铜镍（通常称为镍铬－康铜）组成热电偶的两种材料写在前面的为正极，后面的为负极。热电偶的热电动势与温度之关系表，称之为分度表。

八种国际通用热电偶：

B:铂铑30—铂铑6

、R:铂铑13—铂、

S:铂铑10—铂、K:镍铬—镍硅、

N:镍铬硅—镍硅、E:镍铬—铜镍、

J:铁—铜镍、T:铜—铜镍用于制造铂热电偶的各种铂热电偶丝几种常用热电偶的测温范围及热电势

分度号

名称

测量温度范围

1000

C热电势/mVB铂铑30－铂铑650～1820

C4.834R铂铑13—铂-50～1768

C10.506S铂铑10—铂-50～1768

C9.587K镍铬－镍铬

(铝)-270～1370

C41.276E镍铬－铜镍(康铜)－270～800

C——5种热电偶的测温范围与热电势各有什么特点？（1）补偿导线

补偿导线是指在一定的温度范围内(0~150℃)，其热电性能与相应热电偶的热电性能相同的廉价导线。采用补偿导线，可将热电偶的自由端延伸到远离高温区的地方，从而使自由端的温度相对稳定。由此可见，使用补偿导线可以节约大量的贵重金属，减小热电偶回路的电阻，而且柔软易弯便于敷设安装，但必须指出，使用补偿导线仅能延长热电偶的自由端，对测量电路不起任何温度补偿作用。2.1.3热电偶测温及参考端温度补偿补偿导线外形

A’B’屏蔽层保护层方法冰点槽法计算修正法补正系数法零点迁移法冷端补偿器法软件处理法原因热电偶热电势的大小是热端